基于单片机与图像识别技术的家庭消防系统设计

2021-03-10欧广源马书研田丽平

河南科技 2021年19期

欧广源马书研田丽平

摘要：本文设计了一款基于单片机与图像识别技术的家庭消防系统。它主要由控制器、具有火焰图像识别功能的旋转摄像头、水基型自动喷射灭火器、电动旋转机构、电动伸缩杆、环形电动导轨及各类传感模块组成，是一套紧凑、独立、功能有别于当今市面上各类消防系统的家庭式全自动消防系统。该系统实现了灭火装置与判别装置的有效联动，大大提高了系统的覆盖范围、准确性与即时性，能更好地保障家庭安全。

关键词：家庭消防系统;单片机;图像识别;直线电动轨道;水基型自动喷射灭火器

中图分类号：TU855;TP277 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）19-0018-03

Abstract： This paper designs a family fire protection system based on single chip microcomputer and image recognition technology. It is mainly composed of controller， rotating camera with flame image recognition function， water-based automatic sprinkler fire extinguisher， electric rotating mechanism， electric telescopic rod， annular electric guide rail and various sensing modules. It is a compact and independent system， The function is different from all kinds of fire-fighting systems in the market today. The system realizes the effective linkage between fire extinguishing device and discrimination device， greatly improves the coverage， accuracy and timeliness of the system， and can better ensure family safety.

Keywords： home fire protection system;singlechip;image recognition;eletric circular track;water based automatic sprinkler

目前，家庭火災日趋增多，成因复杂，灭火难度大大增加，因家庭火灾造成的死亡人数逐渐增多。由此，家庭消防成为建筑安全的新趋势。然而，目前市面上各类全自动消防系统不能很好地满足家庭消防的需求，存在以下问题：系统独立性差，响应迟缓;灵敏度低，一般启动灭火工作时，火势已经不可遏制，只能起到减缓火势蔓延的作用;大剂量、大范围地喷洒灭火剂，即使扑灭了火灾，也会给用户带来非常大的损失;主要针对大型建筑，维护成本高，多为喷淋水灭火[1-4]。因此，市场上的消防系统无法为家庭提供很好的防护，导致家庭火灾日渐增多，造成大量的人员伤亡与财产损失。鉴于此，本文设计了一款基于单片机与图像识别技术的家庭消防系统。该系统能实现无人值守、自动识别火灾，并能针对起火点进行小范围精确灭火。

1 总体设计

为了减少家庭火灾的发生，最大限度地确保人员生命及财产安全，为用户提供一种准确性更高、价格更低、安全性更高的产品，本文设计了一款基于单片机与图像识别技术的家庭消防系统。该系统的硬件主要包括控制器、具有火焰图像识别功能的旋转摄像头、电动伸缩杆、水基型自动喷射灭火器、传感器、直线型电动轨道、步进电机、蓄电池以及电动旋转机构，使用24 V 不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）进行供电，该系统的具体结构见图1。

该系统的工作流程如图2所示。具体流程：具有火焰图像识别功能的旋转摄像头工作，监测环境是否产生火焰，若未监测到火焰，则持续监测;若监测到火焰，则启动直线型电动导轨移动灭火装置靠近可以着火点，并启动电动旋转机构正对可以着火点，同时启动电动伸缩杆使传感器、灭火喷射口靠近可疑着火点;通过温度检测、烟雾检测、有毒气体检测进行二次确认，若满足一个或多个条件，则启动激光测距模块，调整自动喷射灭火器内置回流型泵的压力并打开电磁阀进行喷射灭火;当摄像头识别可疑着火点处无火焰后，系统复位，重新进入正常监测状态。

2 系统各部分设计

2.1 控制器

控制器是系统的数据处理与指令发送中心。本研究选用STC89C52单片机作为系统的控制器主体。控制器结构简单，处理数据速度快，工作稳定，采用C语言作为编程语言，易于设计与开发[5-7]。

2.2 具有火焰图像识别功能的旋转摄像头

具有火焰图像识别功能的旋转摄像头一般安装在房间或走廊顶部的对角位置，保证图像采集范围最大，覆盖整个房间或走廊空间。一般设置两个旋转摄像头，两个摄像头的图像采集范围可冗余交错。摄像头需要连续工作采集图像数据。该系统主要通过以下两种方法实现大范围火焰图像识别，并进行火灾的第一次确认。第一，火焰像素点的颜色主要分布在橙黄色到白色之间，故提前建立火焰颜色模型，对所采集的各图像的像素点与火焰颜色模型进行对比，以判断环境中是否产生火焰。第二，根据火焰运动特征判断。由于空气的流动，火焰的整体轮廓会随着时间而持续改变，呈现一种抖动的状态，因此图像中火焰的像素值会存在一定的时间变化率。摄像头使用帧间差法检测出火焰的时间变化率判断是否产生火焰，即将连续采集的两帧图像直接相减以获取图像中像素值的变化，再与设定的火焰燃烧时图像像素值变化范围值进行对比。

两种判断方法相结合使该摄像头精度高且不受其他移动目标的干扰，确保火灾一次确认的准确性。

2.3 电动伸缩杆

虽然环形电动轨道使进行火灾二次确认的传感器与灭火装置可以更加接近着火点，但目前家庭式商品房高度大概2.8 m，因此还需要額外安装一个电动伸缩杆，以确保可疑着火点进入传感器的检测范围。电动伸缩杆最大伸长长度为2.5 m，可在任意位置停止，自带机锁，伸缩杆到达底部会自动停止，确保电机不会空烧，以确保传感器探测到房间内的每一个角落，实现探测范围的全覆盖。

2.4 水基型自动喷射灭火器

水基型自动喷射灭火器主要由储存箱、电磁阀、加压喷头以及回流泵组成。储存箱中储存有数升水基型灭火剂，该灭火剂适用于油、电、气和其他物质引起的各类火灾。电磁阀在回流泵达到足够压力前保持关闭状态，以确保最大限度地节约使用灭火剂。回流型泵可以通过改变转速调节压力，当电磁阀关闭时泵内电机不会停转，但回流阀会打开，灭火剂会在泵内循环。

2.5 各类传感器模块

2.5.1 小范围温度检测模块。本系统通过温度传感器对温度进行检测，并将温度作为判定火灾的依据之一。该小范围温度检测模块采用的是PT100温度传感器，其测温范围广（-199～600 ℃），稳定性高，温度漂移在0.04%以下。该温度传感器的工作温度为-40～200 ℃，能在火灾发生初期正常工作。

2.5.2 烟雾检测模块。物质的燃烧往往会产生烟雾。因此，可以通过检测空气中的烟雾浓度来判别是否发生火灾。烟雾检测模块选用MQ-2型半导体可燃气体敏感元件烟雾传感器实现烟雾的检测，具有灵敏度高、响应快、抗干扰能力强等优点，而且价格低廉，使用寿命长。该传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡（SnO2）。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大[8]。

2.5.3 有毒气体检测模块。当前，大多数电器、家具等都含有塑料和其他复合材料成分，这些物质在燃烧时会产生部分有毒气体，因此检测空气中有毒气体浓度也是判别是否发生火灾的一个重要方法。该模块主要选用MQ-5气体传感器实现有毒气体检测，可检测出空气中的甲烷（存在于天然气中）、丙烷（存在于液化气中）等有毒气体[9]。当MQ-5气体传感器所处环境中存在有毒气体时，其电导率随空气中有毒气体浓度的增加而增大。其将电导率变化转换为输出信号传给控制器进行处理，进而判断环境中是否产生火焰。

2.6 环形电动导轨

考虑到传感器检测范围有限，以及水基型自动喷射灭火器的喷射距离与精准度等因素，在空间较大的房间顶部加装一个环形电动导轨，其长度和宽度大致与房间或走廊的长度和宽度相同。该环形电动导轨由地脚、感应座、限位开关、感应片、联轴器、电机笼及步进电机组成。控制器通过步进电机控制器控制步进电机的转速与转向，步进电机置于直线电动导轨末端的电机笼中，电机转动带动环形电动导轨的内置同步轮转动，使钢丝同步带移动，进而驱动滑台及其连接的承载多种器件的载物平台移动。该环形电动导轨具有静音、美观、移动速度快等特点，同时增大了传感器的探测范围，并使得传感器与灭火装置进一步接近可疑着火点，能更精准地进行火灾二次确认，及时向着火点喷射灭火剂。

2.7 UPS不间断电源

本文设计的消防系统采用24 V的UPS供电，以满足消防设备对电源的要求。UPS是一种含有储能装置的不间断电源。当市电输入正常时，该UPS将市电变压整流后供应给负载使用，此时的UPS就是一台直流式电变压器，同时向机内电池充电;当市电中断（事故停电，如火灾发生）时，UPS立即将电池的直流电能向负载供应，使负载维持正常工作，并保护负载软、硬件不受损坏[10]。由UPS供电，增强了系统的可靠性。

2.8 电动旋转机构

电动旋转机构由步进电机驱动器和步进电机构成。步进电机与步进电机驱动器固定在载物平台的边缘，步进电机的转轴与电动伸缩杆末端的固定孔相连，步进电机可带动电动伸缩杆在垂直面上进行360°旋转，实现喷头喷射范围与传感器检测范围全方位覆盖。

3 结语

本文设计的家庭式全自动消防系统能较好地解决市面上一般消防系统存在的问题，具有精准判别火灾、迅速灭火等优势，将其应用于具体环境中能有效防止火灾的发生与蔓延。

参考文献：

[1]韩璐斌，胡小峰.智能家庭防火检测报警系统[J].数字技术与应用，2020（2）：157-158.

[2]夏道广，张国军，商佳胤，等.一种智能家庭防火系统：CN201711275283.0[P].2017-12-06.

[3]段淼.基于单片机的智能消防报警系统设计[J].商品与质量·建筑与发展，2013（7）：514.

[4]杨龙，生国锋，王军.基于单片机控制的移动消防系统设计[J].机电工程技术，2019（8）：195-196.

[5]田鹏，马信武，訾士才.基于树莓派的水电厂运行、检修辅助系统[C]//中国水力发电工程学会电网调峰与抽水蓄能专业委员会.抽水蓄能电站工程建设文集2016.北京：中国电力出版社，2016.

[6]周祎明，王玉德.一种基于深度学习图像识别与红外温度检测的灭火装置[J].电子技术与软件工程，2020（8）：96-99.

[7]李建华.基于CAN总线的红外烟囱温度检测装置设计[J].科技创新与应用，2016（29）：21.